一种扫描电子显微镜探测器及探测方法与流程

1.本发明属于电子显微镜技术领域，尤其涉及了一种电子显微镜样品探测器和探测方法。


背景技术：

2.扫描电子显微镜（scanning electron microscope, sem）是一种高分辨率的成像仪器，与光学显微镜通过接收样品上反射或投射的光进行成像不同，扫描电子显微镜通常是使用被汇聚成纳米量级直径的极细电子束对样品进行照射，被照射的样品受到激发产生多种信号，这些信号主要包括：二次电子、背散射电子、特征x射线、阴极荧光（cl）等。不同类型的信号需要被相应的探测器接收，形成不同的表征图像。
3.这些信号中，二次电子和背散射电子是最常用的两种信号，接收电子的探测器通常有半导体探测器和闪烁体探测器，其中半导体探测器价格低，体积小方便已安装，但是响应时间长、灵敏度较低；相比较，闪烁体探测器价格高，体积大，但是响应时间快，灵敏度高。在探测器的实际应用中，为了能够探测到更加丰富的信号，有些半导体探测器分为几个不同的探测区域对电子信号分别探测，然后对探测到的信号进行处理，以反应更多的样品信息。然而对于闪烁体探测器，由于现有技术中使用一根光导管收集电子撞击到闪烁体上产生的所有光信号，无法像半导体探测器那样分为几个不同的区域对电子进行分别探测，无法反应更多的样品信息，因而限制了闪烁体探测器的使用，为了解决这个问题故提出本发明。


技术实现要素：

4.一种扫描电子显微镜探测器，其特征在于包括：导电薄膜、闪烁体、光纤束传导装置和信号收集及处理系统。
5.所述闪烁体具有一中心孔，所述闪烁体表面镀有导电薄膜。
6.所述光纤束传导装置包含多根光纤，所述光纤束的一端通过光学胶与所述闪烁体相连接，另一端与信号收集及处理系统相连接。
7.所述信号收集及处理系统对光纤束传来的信号进行分区处理、光电转换、放大和数学运算。
8.一个特征在于：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），一个典型的x值为x=4，此时光纤束被分为a，b，c，d四个区域，每个区域由n/4根光纤组成，每个区域的n/4根光纤信号在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，四个区域形成四个信号sa，sb，sc和sd。
9.另一个特征在于：x=2，此时光纤束被分为a，b左右或上下两个区域，每个区域由n/2根光纤组成，每个区域的n/2根光纤信号在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，两个区域形成两个信号sa，sb。
10.一个特征在于：x=2，此时光纤束被分为，外环o和内环i两个区域，其中外环由m根
光纤组成，内环由n-m根光纤组成，每个区域的光纤信号分别在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，两个区域形成两个信号so，si。
11.n根光纤在空间位置上等分为x份，通过改变光纤的组合实现空间结构旋转一个角度θ，角度θ的范围为：0
°
＜θ≤360
°
/x。
12.所述探测器与电子光学镜筒同轴心安装，其中一个典型安装位置为：所述探测器位于样品上方，物镜下方，探测器下表面高于物镜极靴下表面，距离为d，d的一个典型范围是：0≤d≤5mm。
13.所述探测器与电子光学镜筒同轴心安装，另一个典型安装位置为：所述探测器位于物镜的上方，汇聚镜的下方；所述探测器对信号电子穿过下方探测器的中心孔后向上运动的电子进行探测。
14.一种扫描电子显微镜探测器探测方法，其特征在于包括：步骤s1：电子从样品出射，沿不同轨迹到达探测器的不同位置；步骤s2：电子穿过闪烁体表层的导电薄膜与闪烁体相互作用产生光发射；步骤s3：所述辐射的光进入对应位置的光纤传导装置的光纤中；步骤s4：进入到光纤传导装置光纤中的光沿光纤进行传导，最后被信号收集与处理系统所收集；步骤s5：信号收集及处理系统对光纤中的信号分区处理、光电转换、放大和算术运算处理；步骤s5中，对光纤中的信号进行分区处理，一个特征在于：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），可选的x=4，此时光纤束被分为a，b，c，d四个区域，每个区域由n/4根光纤组成，每个区域的n/4根光纤信号在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，四个区域形成四个信号sa，sb，sc和sd。
15.步骤s5中，对光纤中的信号进行分区处理，一个特征在于：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），可选的x=2，此时光纤束被分为a，b左右或上下两个区域，每个区域由n/2根光纤组成，每个区域的n/2根光纤信号在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，两个区域形成两个信号sa，sb。
16.步骤s5中，对光纤中的信号进行分区处理，一个特征在于：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），可选的x=2，此时光纤束被分为，外环o和内环i两个区域，其中外环由m根光纤组成，内环由n-m根光纤组成，每个区域的光纤信号分别在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，两个区域形成两个信号so，si。
17.步骤s5中，对光纤中的信号进行分区处理，一个特征在于：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），通过改变光纤的组合实现空间结构旋转一个角度θ，角度θ的范围为：0
°
＜θ≤360
°
/x。
附图说明
18.如图1所示为本发明的探测器结构示意图；如图2所示为本发明的光纤束传导装置截面示意图；如图3所示为本发明的探测器对信号电子进行接收、转换及传导示意图；
如图4所示为本发明的光信号在n根光纤中独立，形成n个独立信号的示意图；如图5所示为本发明的探测器对表面不规则样品产生的信号电子进行接收的示意图；如图6所示为本发明的探测器对光纤束进行4分区探测的示意图；如图7所示为本发明的探测器对光纤束进行2分区探测的示意图；如图8所示为本发明的探测器对光纤束进行4分区探测时，实现空间位置旋转一角度的的示意图；如图9所示为本发明的探测器对光纤束进行2分区探测时，实现空间位置旋转一角度的的示意图；如图10所示为本发明的探测器对光纤束进行外环和内环2分区探测的示意图；如图11所示为本发明的探测器在电子光学镜筒中的安装方式示意图；如图12所示为本发明提供的扫描电子显微镜探测器的探测方法。
19.需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。
具体实施方式
20.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明的附图，对发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，以下用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
21.如图1所示为本发明提供的一种扫描电子显微镜探测器结构示意图，其中101为闪烁体表面的导电薄膜、所述导电薄膜的材料可以是金属，例如铝，所述导电薄膜的材料还可以是非金属，例如碳膜；所述扫描电子显微镜探测器还包括102闪烁体，所述闪烁体102是一具有中心孔，所述中心孔与探测器上部的孔106轴线重合，所述中心孔105和106允许主电子束通过；所述扫描电子显微镜探测器还包括光纤束传导装置103，所述光纤束传导装置103由一簇很细的光纤组成，所述光纤束传导装置中所有光纤的一端与闪烁体102上表面通过光学胶连接，另一端与信号收集及处理系统104连接。图2为所述光纤束传导装置截面示意图；所述扫描电子显微镜探测器还包括信号收集及处理系统104，所述信号收集及处理系统104对由光纤束传导装置传来的光信号进行收集处理，所述对信号的收集和处理可以包括对光信号的分区、光电转换、放大和数学运算等处理方法。
22.图3所示为本发明提供的扫描电子显微镜探测器对样品发出的信号电子进行接收、转换及传导的示意图。主电子束20通过探测器上方的孔106通过探测器后照射到样品202上，同时激发出信号电子，通过跟踪具有两种不同轨迹203a和203b的信号电子，详细解释本发明提供的探测器对轰击到探测器不同位置的信号电子进行探测的原理。如图3，沿不同路径203a和203b运动的信号电子轰击到闪烁体探测器下表面不同的位置，一个位于探测器边缘，另一个靠近探测器中心，信号电子穿过闪烁体下方的导电薄膜101后与闪烁体102相互作用激发出光信号，激发出的光信号分别进入靠近激发位置最近的光纤103a和103b中，分别沿光纤103a和103b传导到信号收集及处理系统104中。其它的信号电子也会沿不同的轨迹运动照射到闪烁体不同的位置，在不同位置形成的光信号再被所在位置的光纤传导进入信号收集及处理系统104，如图4所示，假设本发明所述电子显微镜探测器的光纤束传导装置拥有n根光纤：光纤1,2,3，
……
,n，那么每根光纤都会接收到一个光信号，一共有n个
信号：信号1,2,3，
……
,n。这n个信号分别由这n根光纤传导进入信号收集及处理系统。
23.如图5所示为使用本发明提供的探测器对表面不规则样品202进行探测的示意图，我们用虚线将探测器等分为四个部分，501，502，503和504，由于样品表面为不规则的，因此样品产生的信号电子不会均匀的照射到探测器上，这些电子分布的不均匀性就会通过这n根光纤中的信号强弱显示出来，而现有技术中心，闪烁体不同位置处产生的光信号会由一根光导管一起传到探测装置（如：光电倍增管），形成一个加和后的总信号，无法反应探测器不同位置接收到的信号强弱，也就无法反应与之关联的样品形貌信息。
24.为了实现对如图5所示的四个区域信号进行分区域分析，如图6所示为本发明的一个特征实施例，本实施例中，所述信号收集及处理系统对光纤束传导装置中的n根光纤按空间位置等分为四组，每组n/4根光纤，分别称为 a区601（光纤编号1至n/4）， b区602（光纤编号n/4+1至n/2）， c区603（光纤编号n/2+1至3n/4）和 d区604（光纤编号3n/4+1至n）；相同区域的n/4根光纤信号在信号收集及处理系统端进行加和形成一个总的信号，四个区域分别形成四个信号sa，sb，sc和sd。
25.如图7所示为本发明的另一个特征实施例，本实施例中，所述信号收集及处理系统对光纤束传导装置中的n根光纤等分为两组，每组n/2根光纤，分别称为701 a区（光纤编号1至n/2），702 b区（光纤编号n/2+1至n）；相同区域的n/2根光纤信号在信号收集与处理系统端进行加和形成一个总的信号，两个区域分别形成两个信号sa，sb。
26.本发明一个更为通用的特征实施例可以叙述为：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），此时光纤束被分为x个区域，每个区域由n/x根光纤组成，每个区域的n/x根光纤信号在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，x个区域形成x个信号。
27.如图8所示，为本发明所示的另一个特征实施例，在如图6的实施例基础上，通过改变光纤的组合方式，实现四个区域在空间位置上的旋转功能，801为未旋转之前的光纤组合方式示意图，802为改变光纤组合方式，完成图案旋转θ角的示意图，803为改变光纤组合方式，完成图案旋转45
°
角的示意图。
28.如图9所示，为本发明所示的另一个特征实施例，在如图7的实施例基础上，通过改变光纤的组合方式，实现两个区域在空间位置上的旋转功能，801为未旋转之前的光纤组合方式示意图，802为改变光纤组合方式，完成图案旋转θ角的示意图，803为改变光纤组合方式，完成图案旋转90
°
角的示意图。
29.更一般的情况下，n根光纤在空间位置上等分为x份，通过改变光纤的组合实现空间结构旋转一个角度θ，角度θ的范围为：0
°
＜θ≤360
°
/x。
30.需要说明的是，现有技术中半导体探测器也可以在空间上分为不同的区域，但是这种分区是固定的，无法实现角度的旋转。
31.如图10所示，为本发明所示的另一个特征实施例，实施例中，所述信号收集及处理系统对光纤束传导装置中的n根光纤等分为两组：一组为外环光纤1001，共m根；另一组为内环光纤1002，共n-m根。外环的m根光纤信号在信号收集与处理系统端进行加和形成一个总的信号so，内环的n-m根光纤信号在信号收集与处理系统端进行加和形成一个总的信号si。
32.如图11所示，为使用本发明所述电子显微镜探测器的sem示意图，图中示意了使用了两个本发明所提出的探测器的sem示意图，所述探测器的中心轴与所述电子光学镜筒的
中心轴重合放置，如图11所示第一探测器1105位于样品202的上方，物镜1104的下方，其中一个典型的特征在于：所述探测器下表面30高于物镜极靴下表面31，距离为d，d的一个典型范围是：0≤d≤5mm。第二探测器1106位于物镜1104的上方，汇聚镜1103的下方。如图11中，1101为电子显微镜光学镜筒，一束主电子束20从枪尖1102发出，经汇聚镜1103初步汇聚后通过第而探测器1106的中心孔，然后经物镜1104汇聚，汇聚后的电子束穿过第一探测器1105的中心孔照射到样品上。电子束激发样品产生的信号电子分为21和22两部分，信号电子21不能穿过第一探测器1105的中心孔而被第一探测器探测，信号电子22可以穿过第一探测器的中心孔而继续向上运动，被第二探测器所探测。
33.本发明还提供了一种扫描电子显微镜探测器的探测方法，如图12所示，所述方法包括：步骤s1：信号电子从样品出射，沿不同轨迹到达探测器的不同位置；步骤s2：电子穿过闪烁体表层的导电薄膜与闪烁体相互作用产生光发射；步骤s3：所述辐射的光进入对应位置的光纤传导装置的光纤中；步骤s4：进入到光纤传导装置光纤中的光沿光纤进行传导，最后被信号收集及处理系统所收集；步骤s5：信号收集及处理系统对光纤中的信号进行分区、光电转换、放大和算术运算处理；步骤s5中，对光纤中的信号进行分区处理，一个特征在于：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），可选的x=4，此时光纤束被分为a，b，c，d四个区域，每个区域由n/4根光纤组成，每个区域的n/4根光纤信号在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，四个区域形成四个信号sa，sb，sc和sd。
34.步骤s5中，对光纤中的信号进行分区处理，一个特征在于：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），可选的x=2，此时光纤束被分为a，b左右或上下两个区域，每个区域由n/2根光纤组成，每个区域的n/2根光纤信号在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，两个区域形成两个信号sa，sb。
35.对光纤中的信号进行分区处理，一个特征在于：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），可选的x=2，此时光纤束被分为，外环o和内环i两个区域，其中外环由m根光纤组成，内环由n-m根光纤组成，每个区域的光纤信号分别在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，两个区域形成两个信号so，si。
36.步骤s5中，对光纤中的信号进行分区处理，一个特征在于：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），通过改变光纤的组合实现空间结构旋转一个角度θ，角度θ的范围为：0
°
＜θ≤360
°
/x。
37.以上所述仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，可利用上述提示的技术内容作出些许改动，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

技术特征：
1.一种扫描电子显微镜探测器，其特征在于包括：导电薄膜、闪烁体、光纤束传导装置和信号收集及处理系统。2.根据权利要求1所述扫描电子显微镜探测器，所述闪烁体具有一中心孔，所述闪烁体表面镀有导电薄膜。3.根据权利要求1所述扫描电子显微镜探测器，所述光纤束传导装置包含多根光纤，所述光纤束的一端通过光学胶与所述闪烁体相连接，另一端与信号收集及处理系统相连接。4.根据权利要求1所述扫描电子显微镜探测器，所述信号收集及处理系统对光纤束传来的信号进行分区处理、光电转换、放大和数学运算。5.根据权利要求4所述扫描电子显微镜探测器，一个特征在于：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），一个典型的x值为x=4，此时光纤束被分为a，b，c，d四个区域，每个区域由n/4根光纤组成，每个区域的n/4根光纤信号在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，四个区域形成四个信号s
a
，s
b
，s
c
和s
d
。6.根据权利要求5所述扫描电子显微镜探测器，一个特征在于：x=2，此时光纤束被分为a，b左右或上下两个区域，每个区域由n/2根光纤组成，每个区域的n/2根光纤信号在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，两个区域形成两个信号s
a
，s
b
。7.根据权利要求5所述扫描电子显微镜探测器，一个特征在于：x=2，此时光纤束被分为，外环o和内环i两个区域，其中外环由m根光纤组成，内环由n-m根光纤组成，每个区域的光纤信号分别在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，两个区域形成两个信号s
o
，s
i
。8.根据权利要求5所述扫描电子显微镜探测器，n根光纤在空间位置上等分为x份，通过改变光纤的组合实现空间结构旋转一个角度θ，角度θ的范围为：0
°
＜θ≤360
°
/x。9.根据权利要求1所述扫描电子显微镜探测器，所述探测器与电子光学镜筒同轴心安装，其中一个典型安装位置为：所述探测器位于样品上方，物镜下方，探测器下表面高于物镜极靴下表面，距离为d，d的一个典型范围是：0≤d≤5mm。10.根据权利要求1所述扫描电子显微镜探测器，所述探测器与电子光学镜筒同轴心安装，另一个典型安装位置为：所述探测器位于物镜的上方，汇聚镜的下方；所述探测器对信号电子穿过下方探测器的中心孔后向上运动的电子进行探测。11.一种扫描电子显微镜探测器探测方法，其特征在于包括：步骤s1：电子从样品出射，沿不同轨迹到达探测器的不同位置；步骤s2：电子穿过闪烁体表层的导电薄膜与闪烁体相互作用产生光发射；步骤s3：所述辐射的光进入对应位置的光纤传导装置的光纤中；步骤s4：进入到光纤传导装置光纤中的光沿光纤进行传导，最后被信号收集与处理系统所收集；步骤s5：信号收集及处理系统对光纤中的信号分区处理、光电转换、放大和算术运算处理。12.根据权利要求11所述扫描电子显微镜探测器探测方法，步骤s5中，对光纤中的信号进行分区处理，一个特征在于：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），可选的x=4，此时光纤束被分为a，b，c，d四个区域，每个区域由
n/4根光纤组成，每个区域的n/4根光纤信号在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，四个区域形成四个信号s
a
，s
b
，s
c
和s
d
。13.根据权利要求11所述扫描电子显微镜探测器探测方法，步骤s5中，对光纤中的信号进行分区处理，一个特征在于：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），可选的x=2，此时光纤束被分为a，b左右或上下两个区域，每个区域由n/2根光纤组成，每个区域的n/2根光纤信号在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，两个区域形成两个信号s
a
，s
b
。14.根据权利要求11所述扫描电子显微镜探测器探测方法，步骤s5中，对光纤中的信号进行分区处理，一个特征在于：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），可选的x=2，此时光纤束被分为，外环o和内环i两个区域，其中外环由m根光纤组成，内环由n-m根光纤组成，每个区域的光纤信号分别在信号收集及处理系统处进行加和，形成一个整体信号，两个区域形成两个信号s
o
，s
i
。15.根据权利要求11所述扫描电子显微镜探测器探测方法，步骤s5中，对光纤中的信号进行分区处理，一个特征在于：所述光纤束传导装置中的n根光纤束按空间位置可以等分为x份（x为大于等于2的整数），通过改变光纤的组合实现空间结构旋转一个角度θ，角度θ的范围为：0
°
＜θ≤360
°
/x。

技术总结
本发明公开了一种扫描电子显微镜探测器，所述探测器包括：具有中心孔的闪烁体、所述闪烁体表层镀有导电薄膜，同时，所述闪烁体另一面通过光学胶与一光纤束传导装置连接，所述光纤束传导装置包含多根光纤，所述光纤束中的每一根光纤将与之对应位置闪烁体产生的光信号沿光纤传导到信号收集及处理系统中，所述信号收集与处理系统对信号进行分区处理、光电转换、放大及数学运算。应用所述探测器可以实现探测器表面的分区域信号收集效果，通过不同的信号处理方法更丰富的反应样品信息；实现了在不改动硬件基础上就可实现了探测器的多功能化。同时本发明还公开了一种上述扫描电子显微镜探测器的探测方法。镜探测器的探测方法。镜探测器的探测方法。


技术研发人员：李国庆 王鹏 夏长城 楼圣群
受保护的技术使用者：华研芯测半导体（苏州）有限公司
技术研发日：2023.06.19
技术公布日：2023/7/25